DE10004049A1 - Verfahren zum Prüfen von Gegenständen aus Kunststoff - Google Patents

Verfahren zum Prüfen von Gegenständen aus Kunststoff

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Schweißnaht zwischen Kunststoffteilen mit Hilfe der Thermographie, das kostengünstig ist und zuverlässig undichte Nähte erkennbar macht. Dies geschieht in der Weise, dass die Wärmestrahlung der Kunststoffteile im Schweißnahtbereich mit mindestens einer Kamera, beispielsweise einer digitalen Infrarotkamera, erfasst wird und mit mindestens einem Referenzwert computermäßig verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Schweißnaht zwischen Kunststoffteilen.
Beim Herstellen von Gegenständen durch Zusammenfügen von Kunststoff­ teilen, wird für gewöhnlich ein Schweißen in der einen oder anderen Form angewandt. Da es sich bei vielen der in Rede stehenden Kunststoffteile um Behälter oder Tanks handelt, die später eine Flüssigkeit enthalten, muß natürlich die Naht zwischen den Kunststoffteilen nach dem Schweißen dicht sein. Daher werden die Behälter nach dem Zusammenbau für gewöhnlich durch Testen mit einem Vakuum oder mit Überdruck geprüft, um festzustel­ len, ob die Naht adäquat ist oder nicht. Die Praxis zeigt jedoch, dass eine solche Überprüfung von Schweißnähten mit Vakuum oder Überdruck sowohl zeitaufwendig als auch teuer ist. Es gibt auch zu viele Fälle, in denen die Kontrolle nicht dazu in der Lage ist, mögliche Lecks in der Schweißnaht auf­ zufinden. Damit läuft der Hersteller Gefahr, unzulängliche Behälter mit den damit verbundenen unerwünschten Konsequenzen auf den Markt zu brin­ gen.
Das Hauptziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Überprüfen der Nähte zwischen Kunststoffteilen, die durch Schweißen zusammengefügt sind, zu schaffen und die oben erwähnte Anwendung eines Vakuums oder Über­ drucks zu vermeiden. Dies geschieht mit Hilfe der Thermographie in der Weise, daß die Wärmestrahlung eines Bereichs um die Naht als Mittel dient, um festzustellen, ob die Schweißnaht dicht ist oder nicht. Dadurch wird die Kontrolle weitaus kostengünstiger und dazu weit zuverlässiger.
Ein weiteres Ziel ist es die Kontrolle zu einem Zeitpunkt durchzuführen, der für das in Rede stehende Objekt, den Produktionsort, die Schweißwerk­ zeuge etc. der günstigste ist. Dies kann sowohl durch eine Vorkontrolle geschehen, basierend auf der Wärmestrahlung nach dem Erwärmen der Kunststoffteile im Nahtbereich und vorzugsweise vor dem Zusammenfügen der Kunststoffteile als auch bei einer Nachkontrolle, basierend auf der Wär­ mestrahlung aus der Restwärme während des Abkühlens oder als nachträg­ liche Kontrolle nach dem Abkühlen des Nahtbereichs, basierend auf der Strahlung aus Fremdwärme, die nach dem Abkühlen eingebracht wird.
Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß die Wärmestrahlung im Naht­ bereich mit mindestens einer Kamera, z. B. einer digitalen Infrarotkamera, erfasst und mit mindestens einem Referenzwert durch Computer verglichen wird, um festzustellen, ob das Verschmelzen der Kunststoffteile in dem Bereich um die Naht angemessen ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispielen der Erfindung des näheren erläutert:
Fig. 1A bis D zeigen schematische Ansichten, bei denen die Wärmestrahlung im Nahtbereich mit Hilfe einer digitalen Kamera erfaßt wird und die Kunststoffteile zum Verschmelzen mittels eines Wärmereflektors auf die richtige Temperatur erwärmt werden. Die Wärmestrahlung wird dabei nach dem Erwärmen und vor dem Zusammenfügen der Kunststoffteile beobachtet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Wärmestrahlung im Nahtbereich während des Abkühlens nach dem Verschmelzen erfaßt wird; und
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Wärmestrahlung erst nach dem Abkühlen im Anschluß an das Verschmelzen erfaßt und Fremdwärme mittels mindestens eines Blitzlichtgerätes zugeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das geeignet ist, eine Naht zwischen Kunststoffteilen 1, 2 zu überprüfen, die durch Schweißen zusam­ mengefügt sind. Die Überprüfung der Schweißtnaht geschieht so, dass die Wärmestrahlung der Kunststoffteile 1, 2 im Nahtbereich mittels mindestens einer Kamera 3, z. B. einer digitalen Infrarotkamera, erfaßt wird. Anschlie­ ßend wird die erfaßte Wärmestrahlung von der Kamera 3 zu einem nicht dargestellten Computer übertragen, der so programmiert ist, dass die festge­ stellte Wärmestrahlung mit mindestens einem Referenzwert verglichen wird. Auf diese Weise kann der Computer feststellen, ob die Naht zwischen den Kunststoffteilen 1, 2 die Qualitätsanforderungen, die für ein adäquates Ver­ schmelzen maßgebend sind, getroffen werden, so dass mit unzulänglichen Nähten hergestellte Teile ausgeschleust werden können.
Der Referenzwert kann entweder aus einem Wärmestrahlungsbild bestehen, das mit der Kamera 3 aufgenommen worden ist und bei dem Bedingungen während des Schweißens herrschen, die eine adäquate Nahtbeschaffenheit gewährleisten, oder er kann in einer vorbestimmten Temperaturverteilung, auch Temperaturen an ausgewählten Stellen, an den Kunststoffteilen 1, 2 zu bestimmten Zeitpunkten nach dem Erwärmen bestehen. Im diesem Fall muß der Computer so programmiert sein, dass die wirkliche Temperaturvertei­ lung, möglicherweise die Temperaturen an den ausgewählten Stellen, in den Kunststoffteilen 1, 2 auf der Basis der beobachteten Wärmestrahlung berechnet wird. Die vorbestimmte Temperaturverteilung, bzw. die Tempera­ turen an den ausgewählten Stellen, wird durch Berechnungen erstellt, die theoretisch eine adäquate Naht nach dem Verschmelzen gewährleisten. Diese Berechnungen können ebenso eine Grundlage für Versuche bilden.
Die Überprüfung der Schweißnaht kann, wie erwähnt, zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen, und hierfür typische Beispiele werden detailliert im Fol­ genden mit Bezug auf die Figuren erläutert.
In den Fig. 1A-D ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Prüfung als Vorkontrolle stattfindet, bei der mithin die Wärmestrahlung nach dem Erwärmen der beiden Kunststoffteile 1, 2 beobachtet wird, bevor das Zusammenfügen stattfindet, so dass sich die Bedingungen beim Ver­ schweißen im Nahtbereich mit mindestens einem idealen Referenzwert vergleichen lassen, der ein adäquates Verschmelzen der Kunststoffteile 1, 2 beim Verschweißen garantiert. Dieser ideale Referenzwert kann entweder in der Form eines früher aufgenommenen Strahlungsbildes entsprechender richtig erwärmter Kunststoffteile 1, 2 vorliegen, oder er kann in Form einer (theoretisch) vorbestimmten Temperaturverteilung, möglicherweise vorbe­ stimmte Temperaturen an ausgewählten Stellen, in den Kunststoffteilen 1, 2 vorliegen.
Die Wärmestrahlung der Kunststoffteile 1, 2 wird mit mindestens einer digi­ talen Infrarotkamera 3 beobachtet. Die Kamera zeichnet die Wärmestrahlung in verschiedenen Farben auf. Sie wird von der Kamera 3 zu einem Computer übertragen, der die aufgezeichnete Wärmestrahlung mit einem ausgewähl­ ten Referenzwert vergleicht, bei dem es sich entweder um ein zuvor aufge­ zeichnetes Bild handelt oder um eine entsprechende vorbestimmte Tempe­ raturverteilung oder die Temperaturen an ausgewählten Stellen der Kunst­ stoffteile 1, 2. Wird das Strahlungsbild mit der jeweiligen vorbestimmten Temperatur verglichen, ist der Computer so programmiert, dass die wirkliche Temperaturverteilung oder die Temperaturen an ausgewählten Stellen auf der Grundlage erfaßter Wärmestrahlung berechnet ist. Normalerweise reicht eine einzige Beobachtung der Wärmestrahlung während der Vorkontrolle der Kunststoffteile 1, 2 aus; jedoch hindert dies nicht daran mehrere Beobach­ tungen, wann immer notwendig, durchzuführen. Fehlerhafte Kunststoffteile 1, 2 werden ausgesondert und/oder die Erwärmungsparameter werden ent­ sprechend angeglichen; sodann findet das Erwärmen von neuem statt, wenn der Computer anzeigt, daß eine zu starke Abweichung der ermittelten Wär­ mestrahlung von dem jeweiligen Referenzwert vorliegt. Außerdem kann der Computer so programmiert sein, dass er in solch einem Fall ein Signal abgibt, so dass die Produktion zum Nachstellen der Prozeßparameter unter­ brochen wird. Die Dauer der Prozeßkontrolle und der Maßnahmen nach dem Feststellen von Schweißfehlern, hängt vom Produkt, der Fertigungsstraße, den Anforderungen des Kunden, der Qualitätskontrolle etc. ab.
Die Fig. 1A bis D veranschaulichen die erwähnte Vorkontrolle im Zusam­ menhang mit dem Anschweißen eines Füllstutzens 2 an einen Benzintank 1 aus Kunststoff. Der Füllstutzen 2 kann mittels eines Roboters 5 in eine Posi­ tion über den Tank 1 gebracht werden, wonach ein sogenannter Wärme­ spiegel 4 zwischen den Tank 1 und den Füllstutzen 2 gebracht wird. Sodann werden der Tank 1, der Füllstutzen 2 und der Wärmespiegel 4 positioniert (siehe Fig. 1D) und dem Tank 1 und dem Füllstutzen 2 Wärme zugeführt, bis sie die erforderliche Schmelztemperatur und das gewünschte Anschmelzen in bezug auf die Tiefe, das Eindringen und den Bereich erreicht haben. In Abhängigkeit von der spezifischen Wärmeeigenschaft des Kunststoffs und des zu erwärmenden Körpers kann eine differenzierte Wärmezufuhr stattfin­ den, so dass die richtige Temperatur in dem Tank 1 und dem Füllstutzen 2 gleichzeitig erreicht wird. Anschließend wird der Wärmespiegel entfernt, bevor der Füllstutzen 2 und/oder der Tank 1 in eine Position gebracht wer­ den, in der sich die Wärmestrahlung mit einer digitalen lnfrarotkamera 3 beobachten läßt, (siehe Fig. 1C). Die Wärmebilder des Füllstutzens 2 und des Tanks 1 können separat oder gleichzeitig erfaßt bzw. aufgezeichnet werden, je nach der Beschaffenheit der Teile. Es ließe sich auch ein nicht dargestellter Spiegel für ein und/oder beide Teile verwenden, so dass nur ein begrenztes Drehen oder gar kein Drehen des Teils oder der Teile erforder­ lich ist. Wenn der anschließende Vergleich der beobachteten Wärmestrah­ lung mit dem entsprechenden Referenzwert des Computersystems zeigt, dass der Tank 1 und der Füllstutzen 2 die vorgegebene Temperatur erreicht haben, wird der Füllstutzen 2 mittels des Roboters 5 auf den Tank 1 gebracht, so dass das Verschweißen stattfinden kann (Fig. 1D.).
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der die Überprüfung der Schweißnaht während des Abkühlens der Kunststoffteile 1, 2 nach dem Verschweißen stattfindet. Wenn das Erwärmen richtig verlaufen ist und die Kunststoffteile die richtige Position und den richtigen Kontakt beim Schwei­ ßen erreicht haben, entwickelt sich die Temperaturverteilung beim Abkühlen nach einem sehr speziellem Schema. Diese besondere Temperaturvertei­ lung beim Abkühlen erlaubt eine Nachkontrolle der Schweißnaht aufgrund der festgestellten Wärmestrahlung aufgrund der Restwärme in den Kunst­ stoffteilen 1, 2 beim Abkühlen.
Ferner wird die aufgenommene Wärmestrahlung mit mindestens einem Referenzbild verglichen, das ein Abbild der Wärmestrahlung entsprechender Kunststoffteile 1, 2 bei idealen Bedingungen zu dem jeweiligen Zeitpunkt ist, oder sie kann mit mindestens einem Referenzwert der vorbestimmten Tem­ peraturverteilungen oder den vorbestimmten Temperaturen an ausgewählten Stellen der Kunststoffteile 1, 2 verglichen werden. Im letzteren Fall ist der Computer so eingerichtet, dass die Temperaturverteilung oder die Tempe­ raturen an verschiedenen Stellen auf der Grundlage der aufgenommenen Wärmestrahlung zu dem jeweiligen Zeitpunkt während des Abkühlens berechnet werden.
Zudem zeigt Fig. 2 denselben Benzintank 1 und den Einfüllstutzen 2, gemäß Fig. 1, jedoch sind hier die Einzelteile in Position gebracht und bereits ver­ schweißt. Ferner ist die Kamera 3 über dem Stutzen platziert, so dass die Wärmestrahlung von der Restwärme in dem Tank 1 und dem Stutzen 2 auf­ gezeichnet wird. Darüber hinaus entspricht diese Ausführungsform dem, was in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 ausgeführt worden ist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Prüfung der Schweißnaht erst nach dem Abkühlen der Kunststoffteile 1, 2 stattfindet. Hierbei wird die Kontrolle mittels externer Wärme durchgeführt, die den abgekühlten Kunststoffteilen 1, 2 in dem Bereich um die Schweißnaht zuge­ führt wird. Die Wärme kann als kurzer Wärme- oder Lichtimpuls zugeführt werden, z. B. durch mindestens ein Blitzgerät. Die Wärmeenergie breitet sich von der Oberfläche dann in die Kunststoffteile 1, 2 aus. Jedoch verhindern jegliche Fehler in der Schweißnaht diese Ausbreitung. Die Folge ist, dass die Kunststoffteile 1, 2 an ihrer Oberfläche, wo sich der Fehler befindet, langsa­ mer abkühlen und daher länger warm bleiben. Diese Ausbreitung der zugeführten Wärme erlaubt es somit die Nachkontrolle der Schweißnaht auf­ grund der Wärmestrahlung aus der den Kunststoffteilen 1, 2 zugeführten Wärme durchzuführen. Ferner wird die aufgenommene Wärmestrahlung mit mindestens einem Referenzbild verglichen, das eine bildliche Beschreibung der Wärmestrahlung von Kunststoffteilen 1, 2 ist, denen nach dem Abkühlen Wärme auf eine entsprechende Weise zugeführt worden ist, und die unter idealen Bedingungen zwischen einem Unterbrechen des Erwärmens und dem Verschweißen zusammengefügt worden sind; oder die Wärmestrahlung wird mit mindestens einem Referenzwert der vorbestimmten Temperatur­ verteilung oder auch vorbestimmter Temperaturen an ausgewählten Stellen der Kunststoffteile 1, 2, verglichen. Im letzteren Fall ist der Computer so ein­ gerichtet, dass die Temperaturverteilung, oder die Temperaturen an den ausgewählten Stellen auf der Grundlage der Wärmestrahlung berechnet werden, die zu dem oder den jeweiligen Zeitpunkten nach dem Erwärmen aufgezeichnet wurde. Dies geschieht vorzugsweise nachdem die Schweiß­ naht einer mechanischen Belastung ausgesetzt worden ist.
Fig. 3 zeigt darüber hinaus denselben Benzintank 1 und den Einfüllstutzen 2, aus Fig. 1, jedoch sind sie hier nach dem Verschweißen zunächst abgekühlt worden. Wärme wird mittels zweier Blitzgeräte 6 zugeführt. Ferner ist die Kamera 3 an dem Stutzen 2 platziert, so dass sich die Wärmestrahlung aus der Wärme, die in den Tank 1 und den Stutzen 2 eingebracht worden ist, beobachten läßt. Im übrigen entspricht diese Ausführungsform dem, was in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 ausgeführt worden ist.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Überprüfen von Schweißnähten, das schnell in der Anwendung ist und sich automatisch in einer Fertigungs­ straße durchführen läßt, ohne dass sich Verzögerungen in der Produktion ergeben. Darüber hinaus ist das Verfahren derart flexibel, dass es eine oder mehrere Ausführungsformen erlaubt, je nach dem wie die Kunststoffteile und/oder die Fertigung beschaffen sind. Dies bedeutet hohe Kosteneinspa­ rungen als Konsequenz des geringen Zeitaufwandes, der Möglichkeit, Fehler frühzeitig festzustellen und der Tatsache, dass die in den Gebrauch genom­ menen Objekte nicht aufgrund von Leckagen an den Schweißnähten zurückgenommen werden müssen. Ferner ist die Prüfung sehr genau, gleichviel wie sie im einzelnen geschieht.

Claims (12)

1. Verfahren zum Überprüfen einer Schweißnaht zwischen Kunststofftei­ len (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlung im Nahtbereich mit Hilfe mindestens einer Kamera (3) erfaßt und mittels eines Computers mit mindestens einem Referenzwert verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wär­ mestrahlung nach dem Erwärmen erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär­ mestrahlung vor dem Zusammenfügen der Kunststoffteile (1, 2) erfaßt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass die Wärmestrahlung mit mindestens einem Referenzbild ver­ glichen wird, das eine frühere Bildaufzeichnung einer Wärmestrahlung beim Erwärmen entsprechender Kunststoffteile (1, 2) unter idealen Bedingungen beinhaltet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass die erfaßte Wärmestrahlung mit mindestens einem Refe­ renzwert einer vorbestimmten Temperaturverteilung oder vorbestimm­ ter Temperaturen an ausgewählten Stellen der Kunststoffteile (1, 2) verglichen wird und die Computer so eingerichtet sind, dass die Tem­ peraturverteilung oder die Temperaturen an den ausgewählten Stellen der Kunststoffteile (1, 2) auf der Grundlage der erfaßten Wärmestrah­ lung berechnet werden kann.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wär­ mestrahlung beim Abkühlen der Kunststoffteile (1, 2) nach dem Ver­ schweißen erfaßt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfaßte Wärmestrahlung mit mindestens einem Referenzbild verglichen wird, das eine frühere Bildaufzeichnung einer Wärmestrahlung zu dem betreffenden Zeitpunkt bei entsprechenden Kunststoffteilen (1, 2) unter idealen Bedingungen zwischen Erwärmen und Verschweißen beinhal­ tet.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfaßte Wärmestrahlung mit mindestens einem Referenzwert einer vor­ bestimmten Temperaturverteilung oder vorbestimmten Temperaturen an ausgewählten Stellen der Kunststoffteile (1, 2) verglichen wird und die Computer so eingerichtet sind, dass die Temperaturverteilung oder die Temperaturen an den ausgewählten Stellen, in den Kunststoffteilen (1, 2) auf der Grundlage der Wärmestrahlung berechnet werden kön­ nen, die zu dem betreffenden Zeitpunkt beim Abkühlen erfaßt worden ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wär­ mestrahlung erst dann erfaßt wird, wenn die Kunststoffteile (1, 2) nach dem Verschweißen abgekühlt worden sind und Wärme den Kunst­ stoffteilen durch einen Wärme- oder Lichtimpuls zugeführt wird, bevor die Wärmestrahlung erfaßt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erfaßte Wärmestrahlung mit mindestens einem Referenzbild verglichen wird, das eine frühere Bildaufzeichnung einer Wärmestrahlung aus der Wärme beinhaltet, die den Kunststoffteilen (1, 2) nach dem Abkühlen unter idealen Bedingungen zwischen Erwärmen und Verschweißen zugeführt worden ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wär­ mestrahlungswerte mit mindestens einem Referenzwert der vorbe­ stimmten Temperaturverteilung oder vorbestimmter Temperaturen an ausgewählten Stellen der Kunststoffteile (1, 2) verglichen werden und die Computer so eingerichtet sind, dass die Temperaturverteilung oder die Temperaturen an den ausgewählten Stellen der Kunststoffteile (1, 2) auf der Grundlage der Wärmestrahlung berechnet werden kann, die nach dem Erwärmen der Kunststoffteile (1, 2) erfaßt worden ist.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteile (1, 2) mechanisch belastet werden, bevor ihnen Wärme nach dem Verschweißen zugeführt wird.
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